Способы представления информации для ввода в эвм
КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ
При обработке информации с помощью технических средств удобно пользоваться распространенным в информатике подходом к понятию «информация» как мере уменьшения неопределенности.
Для количественного определения любой величины необходимо выбрать единицу измерения. Известно, что единицей измерения длины является метр, массы — килограмм. За единицу количества информации бит принято такое ее количество, которое имеет место при уменьшении неопределенности в два раза.
В компьютере информация представлена в двоичном коде, т. е. на машинном языке, алфавит которого состоит из двух цифр (0 и 1). Эти цифры представляют собой по сути два равновероятных состояния. При записи одного двоичного разряда реализуется выбор одного из двух возможных состояний (одной из двух цифр), т. е. не-определенность уменьшается в два раза. Отсюда следует, что один двоичный разряд несет количество информации в 1 бит. При этом количество информации в битах равно числу двоичных разрядов.
С другой стороны, число различных цифр N, которое можно записать с помощью/двоичных разрядов:
N=2'.
СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВВОДА В ЭВМ
Современные технические средства информатизации выполняют функции обработки и хранения числовой, текстовой, графической, звуковой и видеоинформации с помощью компьютера. Для работы с информацией, столь разной по физической сущности, необходимо привести ее к единой форме. Все эти виды информации кодируются в последовательности электрических импульсов: есть импульс — 1, нет импульса — 0, т.е. в последовательности нулей и единиц. Такое кодирование информации в компьютере называется двоичным кодированием, а логические последовательности нулей и единиц — машинным языком.
Двоичное кодирование числовой информации заключается в том, что числа в компьютере представлены в виде последовательностей О и 1, или битов.
Двоичное кодирование текстовой информации используют для кодирования каждого символа 1 байт (8 двоичных разрядов), что позволяет закодировать N = 28 = 256 различных символов, которых обычно бывает достаточно для представления текстовой информации: прописные и строчные буквы русского и латинского алфавитов, цифры, знаки, графические символы. Присвоение символу конкретного двоичного кода произведено в соответствии с принятым соглашением, зафиксированным в кодовой таблице Одним из первых стандартов кодирования русских букв на компьютерах был код КОИ-8 (код обмена информацией 8-битный) для компьютеров с операционной системой UNIX.
Наиболее распространенной является стандартная кириллическая кодировка Microsoft Windows, обозначаемая СР1251 (СР — Code Page — кодовая страница), которую поддерживают все Windows-приложения, работающие с русским языком.
В среде операционной системы MS-DOS используется «альтернативная» кодировка, в терминологии фирмы Microsoft — кодировка СР866. Для компьютеров Macintosh фирма Apple разработала свою собственную кодировку русских букв (Мае).
Международная организация по стандартизации (International Standards Organization — ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка кодировку, называемую ISO 8859-5.
Международный стандарт Unicode отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N = 216 = 65 536 различных символов. Эту кодировку поддерживает платформа Microsoft Windows.
Двоичное кодирование графической информации представляет собой достаточно сложный процесс, поскольку такая информация весьма разнообразна: от простых чертежей до видеофильмов. Однако любая графическая информация на экране монитора представляется в виде изображения, которое формируется из точек (пикселов). В случае обычного черно-белого изображения (без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния — «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит.
Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, определяемую числом битов наточку: 4, 8, 16, 24. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N = 21 может быть вычислено число цветов, отображаемых на экране монитора.
Размер изображения определяется числом точек по горизонтали и по вертикали. В современных персональных компьютерах (ПК) обычно используются четыре основных размера изображения, или разрешающих способностей экрана: 640 х 480, 800 х 600, 1 024 х 768 и 1 280 х 1 024 точки. Двоичное кодирование звуковой информации по сути представляет собой двоичное кодирование непрерывного звукового сигнала после его дискретизации, т.е. преобразования в последовательность электрических импульсов — выборок. Все этапы преобразования звукового сигнала в цифровой вид подробно рассмотрены в гл. 5. Точность процедуры двоичного кодирования определяется числом дискретных значений, которое может обеспечить звуковая система компьютера (звуковая карта), и числом дискретных выборок, выполненных за одну секунду. К числу основных устройств персонального компьютера, располагающихся в его системном блоке, относят материнскую плату, процессор, видеоадаптер (видеокарту), звуковую карту, средства обработки видеосигнала, оперативную память, TV-тюнер.
Все разнообразие функций, выполняемых периферийными устройствами при решении различных задач, можно подразделить на несколько групп, как показано на рис
Устройства отображения (вывода) информации служат для обработки видеоинформации и ее представления для визуального восприятия. Это прежде всего мониторы, изготовленные на базе широкого спектра современных технологий, в том числе и 3D-мониторы.
Звуковая и акустическая системы компьютера обеспечивают обработку и воспроизведение аудиоинформации.
Устройства ввода информации представляют собой совокупность устройств управления и ввода данных. Эти функции выполняют клавиатура, мышь, джойстик. Для ввода информации в ПК широко применяются световое перо, сканер, цифровая камера, дигитайзер, электронный планшет.
Печатающие устройства (принтеры) служат для вывода информации как на твердые, как правило, бумажные носители в текстовой форме, так и в объемном виде. По принципу действия принтеры весьма разнообразны: ударные, струйные, лазерные, светодиодные, термические и ряд других, реализующих технологии многомерной печати.
Средства телекоммуникаций предназначены для дистанционной передачи информации. К ним относятся пейджеры, радиотелефоны, персональные терминалы для спутниковой связи, обеспечивающие передачу звуковой и текстовой информации. Факсимильные аппараты, осуществляющие процесс дистанционной передачи изображения и текста, подразделяются на термографические, электрографические, струйные, лазерные, фотографические, электрохимические и электромеханические. Модемы в основном используются для обмена информацией между компьютерами через телефонную линию и конструктивно выполняются как внешними, функционирующими автономно, так и внутренними, встраиваемыми в аппаратуру.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ ИСТОРИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИСоздание электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в середине XX в. по праву относят к числу самых выдающихся достижений в истории человечества. Вычислительная техника расширила интеллектуальные возможности человека и превратилась в один из решающих факторов научно-технического прогресса. При этом ее развитие неразрывно связано с развитием техники и технологии в ряде промышленных отраслей. История использования механических и полуавтоматических средств для арифметических операций насчитывает не одно тысячелетие. Первые вычислительные устройства были созданы еще в Древней Греции. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623—1662) создал механический арифмометр, позволивший выполнять четыре арифметических действия. Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646—1716) изобрел механическую счетную машину, выполняющую сложение и умножение. Англичанин Чарльз Бэббидж (1792—1871) разработал концеп-цию вычислительной машины с гибкой схемой программирования и запоминающим устройством. Программы вводились с помощью перфокарт — карточек из плотного материала, на которых информация представлялась в виде комбинации отверстий и хранилась в «складе» (памяти) в виде данных и промежуточных результатов. Машина работала от пара, процесс вычислений был автоматизирован, а результаты расчета в виде таблиц распечатывались. В 1878 г. русский математик и механик Пафнутий Львович Чебышев (1821 —1894) создал суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков, а в 1881 г. — приставку к нему для умножения и деления. Немецкий эмигрант Герман Холлерит (1860—1929) запатентовал электромеханическую «машину для переписи населения», использующую для ввода данных перфокарты. Машина управлялась электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи через отверстия в перфокарте. Наиболее стремительным и последовательным развитием и внедрением вычислительных устройств ознаменовалась первая половина XX в. Возможность создания универсальной вычислительной машины обосновал английский математик Алан Матисон Тьюринг (1912—1954). В 1938 г. немецкий инженер Конрад Зусе изготовил макет механической программируемой цифровой машины Z-1, в составе которой была клавиатура для ввода данных с перфокарт в блок памяти. При создании этой машины впервые в мире использована предложенная автором двоичная система счисления и термин «машинное слово».
Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т.д.) и описывает связи внутри системы. В соответствии с принципом открытой архитектуры на основной электронной плате компьютера IBM PC — системной, или материнской, — размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными (периферийными) устройствами компьютера — мони-тором, дисками, принтером, реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате — слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надеж-ности все это заключается в общий корпус — системный блок.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭВМ Основные принципы построения логической схемы вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом. Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура), реализованная в вычислительных машинах первого и второго поколений, представлена на рис. 2.1 и содержит следующие основные блоки: ■ арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции; ■ устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ; ■ внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных; ■ оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); ■ устройства ввода и вывода информации (УВВ). 
К мультимедийным прикладным программам относятся программы для обработки и создания изображений, работы со звуком, а также проигрыватели (плееры) и программы просмотра (вьюверы). Последние не обеспечивают редактирование вукового файла или видео, но позволяют проиграть музыкальную композицию или вывести на экран изображение. К группе профессиональных прикладных программ относятся инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ для компьютера; системы автоматизированного проектирования (CAD); редакторы трехмерной графики и анимации, а также специализированные инженерные и научные программы. 2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято подразделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. По назначению ЭВМ подразделяются на универсальные; проблемно-ориентированные; специализированные. Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных задач: экономических, математических, технических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в мощных вычислительных комплексах. Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, По габаритным размерам и производительности ЭВМ классифицируются следующим образом: сверхпроизводительные ЭВМ и системы (суперЭВМ); большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения); ■ малые, или мини-ЭВМ; ■ микроЭВМ. СуперЭВМ — это самые мощные вычислительные системы, существующие в соответствующий исторический период.
Большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), за рубежом чаще всего называемые мэйнфреймами (Mainframe), исторически появились первыми
Мини-ЭВМ составляли самый многочисленный и быстро развивающийся класс ЭВМ и отличались малыми габаритными размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и суперЭВМ) и универсальными возможностями. Они появились в 1960-е гг. и широко применялись для управления технологическими процессами, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем, для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, для моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта. МикроЭВМ обязаны своим появлением созданию микропроцессора, что не только изменило конструктивно центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств для ее периферийной части. Современные модели микроЭВМ имеют несколько микропроцессоров.
Персональные ЭВМ (ПК) предназначены для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированы на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники, т. е. для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой), а также в быту, например, для обучения и досуга. На основе персональных компьютеров создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий: конструкторов, дизайнеров, технологов, менеджеров.
МАТЕРИНСКИЕ ПЛАТЫМатеринская плата (Motherboard) — основной компонент каждого ПК. Называется главной (Mainboard), или системной, платой. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материнская плата является основным элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом. представлена структура типовой материнской платы: ■ процессор, на котором размещается радиатор с вентилятором, устанавливаемым в специальный разъем; ■ микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней), которые устанавливаются на плату картриджа центрального процессора CPU; ■ слоты для установки модулей оперативной памяти; ■ разъемы (слоты) для установки карт расширения. В соответствии со спецификацией PC 2001 материнские платы оборудованы слотом AGP. Наличие слотов и возможность установки в них любых карт расширения (видео-адаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяет открытую архитектуру ПК; ■ микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в которой хранятся программы, POST, программа загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup). На рис. 2.4 микросхема обозначена как BIOS; ■ набор микросхем (Chipset) высокой степени интеграции для управления обменом данными между всеми компонентами ПК;
■ разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь, модем и др.), параллельные порты для подключения принтера, сканеров некоторых типов; ■ аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и электронного таймера (системных часов).+
Формфактор материнской платы — общая стратегия расположения на ней основных микросхем, слотов, ее форма и размер.
СТРУКТУРА И СТАНДАРТЫ ШИН ПКШиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.
Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению: ■ системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно; ■ шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью; ■ шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU; ■ шины ввода-вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.
Основные характеристики шиныРазрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была 8-разрядной, т. е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины ПК, например, Pentium IV — 64-разрядные. Пропускная способность шины определяется количеством байтов информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяется так: (16 бит • 8,33 МГц): 8 = 16,66 Мбайт/с.
Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса (Interface — сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только если ин-терфейсы этих компонентов совместимы.
Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т. е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. Шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода-вывода. На рис. 2.8 дана архитектура шины PCI.
Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода-вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот. Если в стандартном варианте 32-разрядная шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность PCI 33x32 = 1 056 Мбит/с =132 Мбайт/с, то шина AGP тактуется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность в режиме 1х составляет 66x32 = 264 Мбайт/с; в режиме 2х эквивалентная тактовая частота составляет 132 МГц, а 21 пропускная способность — 528 Мбайт/с; в режиме 4х — пропускная способность около 1 Гбайт/с. Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса ПК. Технические характеристики USB предполагают возможность подключения устройств с различными скоростями обмена. Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) — 12 Мбит/с, а низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) — 1,5 Мбит/с. В режиме низкой скорости шину USB используют такие периферийные устройства: клавиатуры, мыши, джойстики, матричные принтеры, дигитайзеры, цифровые фотокамеры, модемы для обычных телефонных линий, цепи управления монитором. В режиме высокой скорости: колонки, ISDN-модемы, внешние накопители класса Iomega Zip, офисные АТС, лазерные и струйные принтеры.
Существуют несколько типов параллельных портов: стандартный, ЕРР и ЕСР.
Порт ЕРР является двунаправленным, т. е. обеспечивает параллельную передачу 8 бит данных в обоих направлениях и полностью совместим со стандартным портом. Порт ЕРР передает и принимает данные почти в шесть раз быстрее стандартного парал-лельного порта, чему способствует то, что порт ЕРР имеет буфер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до момента, когда принтер будет готов их принять. Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосредственно из RAM PC в принтер и обратно, минуя процессор. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мбит/с. Порт ЕСР, обладая всеми возможностями порта ЕРР, обеспечивает повышенную скорость передачи данных за счет функции сжатия данных. Для сжатия данных используется метод RLE (Run Length Encoding), согласно которому длинная последовательность одинаковых символов передается всего лишь двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, а второй — число повторений. При этом стандарт ЕСР допускает сжатие и распаковку данных как программно (путем применения драйвера), так и аппаратно (схемой порта). Данная функция не является обязательной, поэтому порты, периферийные устройства и программы могут ее и не поддерживать. Она может быть реализована, когда режим сжатия данных поддерживается как портом ЕСР, так и принтером. Увеличение скорости передачи данных с помощью порта ЕСР существенно уменьшает время распечатки данных на принтере.
Последовательная связь осуществляется побитно: отдельные биты пересылаются (или принимаются) последовательно один за другим по одному проводу, при этом возможен обмен данными в двух направлениях, прием и передача данных осуществляются с одинаковой тактовой частотой. Для последовательных интерфейсов выбор подключаемых устройств значительно шире, поэтому большинство ПК обычно оборудовано двумя интерфейсными разъѐмами для последовательной передачи данных.
С развитием технологии микроэлектроники и увеличением степени интеграции элементов, размещенных в одной электронной схеме, процессор стал называться микропроцессором (МП). Физически процессор или микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены главные функциональные компоненты: 1) ядро — главный компонент процессора, осуществляющий выполнение команд; 2) сопроцессор — специальный модуль для выполнения операций с «плавающей точкой» (или запятой); 3) модуль предсказания перехода (Branch Predictor), которые определят изменение последовательности команд после переход для того чтобы переслать эти команды заранее в декодер команд; 4) кэш-память первого уровня — сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений; 5) кэш-память второго уровня; 6) интерфейсный модуль системной шины, по которой в CPU поступают команды и данные, а также передаются данные из CPU.
Особенности процессоров различных поколенийПроцессоры первого и второго поколений представлены CPU 8086/8088 и 80286. Процессор 8086/8088 имел тактовую частоту 4,77 МГц и оперативную память 256 Кбайт. Процессор второго поколения имел защищенный режим работы, позволявший обращать-ся к 16 Мбайт физической и 1 Гбайт виртуальной памяти. Лучшие из процессоров 80286 достигли тактовой частоты в 20 МГц. Процессоры третьего поколения 80386 отличались от своих предшественников возможностью работы в виртуальном режиме, наличием внешней кэш-памяти CPU, расположенной на материнской плате, и 32-разрядным ядром CPU. 32-разрядный процессор 386 DX имел тактовую частоту уже 33 МГц, обеспечивал адресацию физической памяти до 4 Гбайт и виртуальной — до 64 Гбайт. Процессоры четвертого поколения 80486 отличаются от процессоров третьего поколения тем, что в само ядро CPU интегрированы кэш-память и сопроцессор, а также реализована конвейеризация вычислений. Сопроцессор, шли математический процессор (Numeric Processing Unit — NPU), предназначен для выполнения арифметических действий с плавающей точкой. Он не управляет системой, а ждет команду от CPU на выполнение арифметических действий и формирование результатов. Фирма Intel полагает, что сопроцессор может на 80 % сократить время выполнения таких операций, как умножение и возведение в степень. Типичными представителями CPU четвертого поколения являются 80486DX и 80486SX с соответствующими диапазонами тактовых частот 33... 50 МГц и 2... МГц. Процессоры пятого поколения типа Pentium поддерживают 64-разрядную системную шину с тактовой частотой 66 МГц, имеют технологию предсказания переходов и параллельной конвейерной обработки данных с помощью двух пятиступенчатых конвейеров. Предсказание переходов реализуется благодаря хранению данных о последних 256 переходах в специальном буфере адреса перехода. Кэш-память объемом 16 Кбайт разделена на память данных и память команд по 8 Кбайт, что исключает пересечение команд и данных.
Процессоры Pentium принято подразделять по поколениям в соответствии с хронологией выхода на компьютерный рынок и техническими характеристиками. CPU Pentium первого поколения представляет собой 32-разрядный процессор, работающий на тактовой частоте 60 и 66 МГц. В начале тактовая частота CPU Pentium второго поколения составляла 90 и 100 МГц, но в настоящее время она достигает 200 МГц. Основное отличие Pentium второго и третьего поколений в том, что ядро процессоров
третьего поколения производится по технологии, обеспечивающей размер элемента ядра процессора 0,25 мкм, в то время как у Pentium первого и второго поколений эта величина составляла 0,8 и 0,35 мкм соответственно. Конкуренцию CPU Pentium производства компании Intel на компьютерном рынке составляют процессоры AMD K5 производства компании Advanced Micro Devices и Cyrix 6x86 (Cyrix Corporation), которые по ряду характеристик превосходят CPU Pentium. Процессоры Pentium MMX ориентированы на решение задач мультимедиа и содержат схемотехнические и архитектурные решения, существенно повышающие производительность: вдвое увеличен размер кэш-памяти (16 Кбайт для данных и 16 Кбайт для команд); увеличена до шести шагов длина конвейера. Скорость выполнения программ увеличена на 10... 15 %, что привлекательно для любителей компьютерных игр, видеофильмов на CD-ROM и профессионалов-дизайнеров. Процессоры шестого поколения поддерживают 64-разрядную системную шину и работу многопроцессорных систем. Первый CPU шестого поколения фирмы Intel носит имя Pentium Pro. По сравнению с Pentium процессоры Pentium Pro имеют не два, а четыре конвейера с увеличением ступеней при конвейерной обработке данных с пяти до 14, усовершенствованную технологию предсказания переходов. Особенностью CPU Pentium Pro является интегрированная кэш-память второго уровня, которая за счет перемещения с материнской платы в CPU может работать на максимальной частоте CPU. CPU Pentium Pro предназначен для пользователей, работающих с мощными вычислительными средствами. Процессор Pentium II сочетает архитектуру Pentium Pro с технологией ММХ. Тактовая частота CPU Pentium II находится в диапазоне от 233 до 450 МГц, а системной шины его материнской платы — от 66 до 100 МГц. Pentium III, пришедший на смену Pentium II, расширяет возможности обработки изображений, потоков аудио- и видеоданных, распознавания речи, имеет тактовую частоту процессора свыше 600 МГц и системной шины до 1,33 ГГц. CPU семейства Celeron представляют собой версию Pentium II, предназначенную ускорить процесс перехода пользователей на новое поколение процессоров. Процессоры семейства AMD K6-2 фирмы AMD имеют в ядре CPU модуль с конвейерной структурой для ускоренной обработки инструкций трехмерной графики, аудио- и видеоданных, что увеличивает производительность процессора, который работает на тактовой частоте от 266 до 450 МГц при частоте системной шины 66, 95 и 100 МГц. В ядро процессора AMD K6-3 интегрировано 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте процессора, а на материнской плате располагается кэш-память третьего уровня объемом от 512 до 2 048 Кбайт. Процессоры седьмого поколения имеют собственную частоту свыше 1 ГГц и поддерживают новую системную шину с тактовой частотой до 400 МГц. CPU К-7 корпорации AMD получили название Athlon. CPU Athlon первого поколения основаны на 0,22 мкм-тех-нологии и имели тактовую частоту до 700 МГц, а второго поколения при переходе на 0,18 мкм-технологию достигают частоты 1 000 МГц. CPU Pentium IV(Willamate) корпорации Intel является, по сути дела, модернизацией Pentium Pro, имеет тактовую частоту до 2,6 Ггц и использует системную шину Quard Pumped, передающую по 4 пакета данных за один такт с тактовой частотой (100 МГц х 4 = 400 МГц) Объем кэш-памяти второго уровня составляет 256 Кбайт. Ядро процессора выполнено по 0,18 мкм-технологии.
CPU Pentium IV(Northwood) отличается тем, что его ядро изготовлено по 0,13 мкм-технологии, что позволило повысить тактовую частоту до 3,06 Ггц, увеличить объем кэш-памяти второго уровня до 512 Кбайт и тактовую частоту системной шины до 533 МГц. Процессор Intel Pentium M ориентирован для применения в мобильных ПК. Процессор Intel Celeron представляет собой упрощенную версию Pentium IV. Первые процессоры Celeron — аналоги Pentium II, отличавшиеся отсутствием дорогостоящих микросхем кэш-памяти второго уровня. Выпуск CPU Celeron продолжался после появления Pentium III и Pentium IV. Их тактовая частота — до 2,88 Ггц; частота системной шины — до 400 МГц; объем кэш-памяти второго уровня — 256 Кбайт; технология — 0,13 и 0,18 мкм. В 2004 г. для маркировки процессоров Celeron на базе ядра Prescott стала использоваться торговая марка Intel Celeron D. CPU Intel Celeron D имеют в основном домашнее мультимедийное применение, изготовлены по технологии 0,065 и 0,09 мкм, обладают тактовой частотой до 3,2 ГГц, частотой системной шины 533 МГц и кэш-памятью второго уровня до 512 Кбайт. Процессоры Celeron M являются упрощенной версией Pentium M для мобильных ПК. К процессорам восьмого поколения относится процессор AMD Opteron и разные модификации Athlon 64 (Turion 64), а также Intel Itanium. CPU Athlon 64 изначально предназначен для использования в настольных ПК и ноутбуках. Семейство процессоров Athlon 64 (2 800+, 3 000+, 3 200+, 3 400+, 3 500+, 3 700+, 3 800+ и 4 000 + ) изготовлены по технологии 0,09 и 0,13 мкм и позиционируются как промежуточное звено между 32- и 64-разрядными процессорами. Они обладают тактовой частотой до 2,4 ГГц и кэш-памятью второго уровня до 1 024 Кбайт.
Многоядерные процессорыИдея перехода на многоядерные процессоры CMP (Core Multi Processor) возникла у специалистов в области информационных технологий еще в далекие 1960-е гг., когда Сеймур Крей, создатель первого в мире суперкомпьютера, не только обосновал преимущества нескольких процессорных ядер перед одним, но и реализовал свой замысел в суперкомпьютере CDC 6600. Однако в силу несовершенства технологии микроэлектроники того времени этот подход к архитектуре CPU не получил развития.
Низкая эффективность использования транзисторов, когда большая их часть отдается схемам управления и существенно меньшая — выполнению собственно арифметических и логических операций, и, как следствие, высокое энергопотребление стали главным тормозом на пути создания многоядерных процессоров. Идея многоядерных процессоров возникла на базе многопроцессорных систем. Вариантов создания архитектуры многопроцессорных систем множество. При этом существует их общепринятая классификация: 1. SMP-системы (Symmetrical Multi Processor systems) (рис. 2.12, a). Система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти (обычно из нескольких независимых блоков). Все процессоры имеют доступ к любой точке памяти с одинаковой скоростью. Процессоры подключены к памяти либо с помощью общей шины, либо с помощью коммутатора. Разработка программного обеспечения для таких систем не связана с особыми сложностями, поскольку не возникает никаких специфичных особенностей, связанных с архитектурой компьютера. Однако создавать подобные системы экономически нецелесообразно.
2. NUMA-системы (Non-Uniform Memory Access systems) (рис. 2.12,6). Система состоит из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т. е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти в несколько раз быстрее, чем к удаленной. Создавать NUMA-системы проще, чем SMP, а программное обеспечение готовить сложнее — необходимо учитывать неодно-родность памяти.
3. Многопроцессорные системы — кластеры (рис. 2.12, в). Набор рабочих станций (или даже ПК) общего назначения используется в качестве дешевого варианта массивно-параллельного компьютера. Для связи узлов используется одна из стандартных сетевых технологий (Fast/Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе шинной архитектуры или коммутатора. При объединении в кластер компьютеров разной мощности или разной архитектуры, говорят о гетерогенных (неоднородных) кластерах. Узлы кластера могут одновременно использоваться в качестве пользовательских рабочих станций.
35 серьезный выигрыш от использования технологии Hyper-Threading получается в отдельных задачах, а вот проигрыш от лишних операций бывает чаще, так как процессору приходится постоянно решать: можно ли выполнить команды параллельно или они должны идти последовательно. Двухъядерные процессоры (рис. 2.14, в) - это два отдельных процессора, которые расположены на одном кристалле или в одном корпусе Соответственно, на вход двухъядерного процессора приходят два отдельных потока команд и данных, и также отдельно выходят. Взаимного влияния друг на друга оба потока внутри двухъядерного процессора не производят. Исключение составляют схемы интерфейса - обмена информации с внешним миром, а также кэша, но тут два процессора лишь конкурируют за право и порядок использования ресурсов. Если в двухъядерном процессоре присутствует еще и технология Hyper-Threading (рис. 2.14, г), то пользователь увидит четыре логических процессора, которые могут обрабатывать сразу четыре команды (два потока, разделенные внутри процессора на четыре).
Совмещение нескольких ядер в одном кристалле имеет ряд преимуществ. Прежде всего, они связаны с уменьшением проблем проектирования и организации производства процессоров. Это позволяет разработать одно эффективное ядро, а затем тиражировать его в необходимом количестве, дополняя архитектуру нужными системными компонентами. Такой подход обладает модульностью, масштабируемостью, а главное, уменьшает трудозатраты, что сможет в будущем изменить баланс сил на процессорном рынке. Это связано с тем, что увеличение числа транзисторов в одном ядре ведет к резкому росту затрат при проектировании и изготовлении новых кристаллов. В связи с этим этот вид деятельности становится прерогативой самых крупных компаний. При модульном проектировании трудозатраты оказываются существенно меньше, чем за-траты на проектирование единого, существенно более сложного процессорного ядра.
ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬОперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначено для приема, хранения и выдачи информации и представляет собой самую быстродействующую запоминающую систему компьютера. Оперативная память обозначается RAM (Random Access Memory — память с произвольным доступом). Процессор имеет возможность выполнять программы только после того, как они загружены в оперативную рабочую память, т. е. в память, доступную для программ пользователя. CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти, а к внешней памяти (на гибких или жестких дисках) — через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти. Работа программ, загруженных с внешнего носителя, возможна после того, как она будет скопирована в RAM. Однако оперативная память имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что она временная, т.е. при отключении питания оперативная память полностью очищается. При этом данные, не записанные на внешний носитель, будут утеряны. Основная задача RAM — предоставлять необходимую информацию в виде двоичных кодов по запросам CPU, т. е. данные в любой момент должны быть доступны для обработки. Оперативная память относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение короткого промежутка времени, что требует периодического обновления памяти.
Характеристики микросхем памятиОсновными характеристиками микросхем памяти различных типов являются: ■ объем; ■ разрядность; ■ быстродействие; ■ временная диаграмма (циклограмма). Разрядность шины ввода-вывода микросхемы определяется числом ее линий ввода-вывода.
Общий объем микросхемы памяти определяется произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода-вывода (разрядов). Глубиной адресного пространства микросхемы памяти называется количество битов информации, которое хранится в ячейках памяти.
Быстродействие микросхемы динамической памяти определяется суммой времени последовательного выполнения элементарных действий между двумя операциями чтения либо записи данных - рабочим циклом (или циклом обращения). Он включает четыре последовательные операции считывания данных: выбор строки (RAS); выбор столбца (CAS), чтение или запись. Время, необходимое для чтения или записи данных, хранящихся по случайному адресу, называется временем доступа (Access time). Временная диаграмма характеризует число тактов, которые необходимы CPU для выполнения четырех последовательных операций считывания данных. Между CPU и элементами памяти недопустимо временное рассогласование, обусловленное различным быстродействием этих компонентов.
Распространенные типы памятиВсю память с произвольным доступом (RAM) можно подразделить на два типа: DRAM (динамическая RAM) и SRAM (статическая RAM). Динамическая память используется в качестве оперативной памяти общего назначения и как память для видеоадаптера. К первому поколению высокоскоростных DRAM главным образом относятся FRM DRAM, EDO DRAM, SDRAM и RDRAM, а к следующему - ESDRAM, DDR SDRAM, Direct RDRAM, SLDRAM (ранее SynchLink DRAM) и т.д. FPM DRAM — широкораспространенный стандартный тип памяти, появившийся в моделях ПК с CPU 80486 и позволивший обелить время доступа 60 или 70 нс. EDO DRAM — основной тип памяти процессоров Pentium. Память этого типа работает на частоте системной шины не более 66 МГц со временем доступа от 50 до 70 не. Модули EDO используются в основном для модернизации встроенной памяти на некоторых моделях внешних устройств (например, лазерных принтеров).
Статическая память обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня. По способу доступа к данным может быть асинхронной и синхронной. Асинхронным называется доступ к памяти, который может быть осуществлен в произвольный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на материнских платах третьего-пятого поколения процессоров. Время доступа к ячейкам этой памяти составляло от 15 до 8 нс. Async SRAM — асинхронная статическая память получила распространение как кэш-память второго уровня с начала производства ПК 386. Обращение к ней производится быстрее, чем к DRAM. В зависимости от скорости CPU могут применяться варианты с доступом в 20, 15, 10 не. Синхронная память обеспечивает доступ к памяти синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках она готовит для доступа следующую порцию данных. Пакетно-конвейерная SRAM как разновидность синхронной памяти используется в материнских платах пятого поколения.